不需要引擎的飞机--中国数字科技馆
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不需要引擎的飞机

不需要引擎的飞机(科学播报) 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-01-19   浏览数:
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  20世纪初动力飞机的发明,无疑是人类交通方式的一大革命,它终于实现了自古以来人们想要飞上天空的梦想。

  2018年11月发行的《自然》杂志封面刊登了一架飞机,它究竟有何特别之处,能登上顶级学术期刊的封面呢?

  不论是在第一架飞机成功飞行的100多年前,还是今天,一直以来,飞行器的动力来自带有活动部件的发动机,例如推进器或涡轮机,并且通常依靠化石燃料燃烧。但而这架电动飞机和之前的飞机完全不同,它没有螺旋桨、没有涡轮机,由带电空气分子碰撞而成的“离子风”提供了飞行所需的推力。正如飞机的发明者、麻省理工学院航空航天副教授史蒂文·巴雷特说:“这是史上第一架推进系统中没有任何活动部件的飞机,将为飞机带来新的可能性,未来的飞机会更安静,机械设计更简单,并且不会排放燃烧物。”

  这项研究结果,来自美国麻省理工史蒂文·巴雷特课题组。这款特殊的飞机,机身5米,重2.45公斤,在学校的体育馆内完成了首次飞行,试飞平均高度0.47米,持续飞行60米。

  这驾飞机的特别之处,在于它飞行过程中不需要任何运动部件,而且还能获得动力。它没有发动机,也没有涡轮和螺旋桨;不需要消耗燃料,也不会产生噪音与废气。

  MIT的研究者展示了这样一种可能:利用高压将空气电离,形成“离子风”,推动飞机。

  “离子风”与 “电空气动力学(EAD)”有关。这种技术最初在20世纪20年代被提出,简单来说,它描述了电流在薄电极和厚电极之间通过时可产生风,或者说推力。而当施加的电压足够大时,电极之间的空气可以产生足够的推力来推进小型飞机。理论上来说,使用非常高的电压时,基于EAD的推进器会在两个电极周围的空气中产生离子,电极之间产生的电场将离子从较小的电极“甩到”较大的电极上,这些离子在行进时与正常的空气分子碰撞,产生离子风并向前推动机器。另外,由于离子可以在两个固定电极之间移动,因此机器不需要活动部件来为其供电。这种技术,据说已被NASA用于外太空的航天器,可帮助进行航向的微小修正。但用于驱动飞机,必须产生足够的推力以克服空气阻力,还有自身重力,此前还无人涉及。

离子风原理示意图(图片来源:MIT)

  研究人员尝试了十次飞行,用来证明它的可重复性。在5米范围内,“离子风”将飞机加速到每秒5米,在剩余的55米飞行空间内自由飞行。持续时间为8-9秒,平均飞行高度0.47米,“离子风”稳定地推动飞机。

  为了产生足够强的电场,研究人员在飞机的机翼下方安装了类似百叶窗的电极组,每个电极由带正电荷的不锈钢丝和由铝覆盖的带有大量负电荷的泡沫片构成。该飞机还带有一个定制的电池组和一个变压器,变压器可以将电池的电压从大约 200 伏升至 40 千伏。高压充电的电极暴露在飞机外,但它们可以通过遥控器打开或关闭,因此可以避免安全风险。

  在实验室尺度上,推动力与功率之比可以高达50 N kw-1。与之相比,喷气发动机约为3 N kw-1,直升机旋翼约为50 N kw-1。推力功率比的增加导致推力密度的降低,研究者最终采用四组并联电极的两级结构,可以同时获得3 N m-2的推力密度,和6.25 N kw-1的推力功率比。

单次飞行轨迹和速度计算(图片来源:MIT)

  EAD可以用于更安静的小型飞行器设计,它们几乎不发出声音,无需消耗燃料,当然也不会排放温室气体,减轻当前飞机推进系统对环境的有害影响,有希望让飞机与城市环境联系更紧密。

飞机设计图(图片来源:MIT)

  这只是个概念证明,目前,团队开发出来的 EDA 系统的推进力还不足以满足商用飞机的需求。但研究人员认为,它可以与喷气发动机一起使用。电动力推进系统可以嵌入飞机中,用于重新改变沿飞机行进的空气,增加新的推进系统可以消除阻力并提高燃油效率。因此,除了优化原型工艺之外,这也是麻省理工学院团队计划下一步关注的内容。他们还会改进这种EAD推进技术,提高整体效率。另一个挑战是提升推力密度,现在的原型机只是无人机,真正的飞机,必须能够携带人类,而不只是电池、变压器和遥控器。

  

原创稿件

制作 曾子芹 西南交通大学

审校 于颖卓 中国科学院地理科学与资源研究所博士

参考来源:

[1]Xu Haofeng,He Yiou,Strobel Kieran L,Gilmore Christopher K,Kelley Sean P,Hennick Cooper C,Sebastian Thomas,Woolston Mark R,Perreault David J,Barrett Steven R H. Flight of an aeroplane with solid-state propulsion.[J]. Nature,2018,563(7732).


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